JP4099006B2

JP4099006B2 - Rotation drive device for construction machinery

Info

Publication number: JP4099006B2
Application number: JP2002136967A
Authority: JP
Inventors: 直紀菅野; 英昭吉松; 衛上島; 浩司井上
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-05-13
Also published as: US20050237021A1; CN1653680A; KR20050000530A; JP2003333876A; EP1505717A1; WO2003096522A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機で回転系を駆動する建設機械の回転駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建設機械のアクチュエータとしては一般に油圧アクチュエータ式が広く採用されている。しかしながら、この油圧アクチュエータを用いた油圧駆動システムでは、油圧ポンプから吐出される圧油の方向と流量を制御するコントロールバルブで抵抗が発生し、また、配管では圧損が発生し、さらにまた回路に余剰流量が発生するなどしてエネルギ効率が低い。
【０００３】
そこで、エネルギ効率を高める方法として電動機をアクチュエータとして使用するものが知られている。
【０００４】
例えば特開2001−11897号公報に記載の「建設機械の旋回駆動装置」では、上部旋回体を旋回させる旋回モータに電動機を使用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建設機械のアクチュエータとして電動機を使用した場合、エネルギ効率が向上する反面、レバー操作に対するアクチュエータの応答性が油圧駆動システムに比べて敏感となりすぎる。
【０００６】
例えば、レバー中間領域においてレバー操作によって速度変更を行なうと、電動機が急激に速度変化し、その結果、ハンチングを起こしたりショックが発生する。
【０００７】
また、電動機によってフロントアタッチメントを駆動している場合では、電動機が急停止するとそのアタッチメントが弾性変形し、揺れ戻しの発生する虞れがある。このように電動機の駆動に対してアクチュエータの応答性が敏感すぎるとかえって油圧駆動方式よりも操作性が悪くなるという不都合がある。
【０００８】
このような問題に対して、公知技術であるモデル追従制御を適用することができる。これは、目標とする応答性が得られるように、例えば、一次遅れ等の規範モデルを用い、この規範モデルの応答性に追従するようにアクチュエータを制御する技術である。
【０００９】
ところが、このような一般的なモデル追従制御では、規範モデルとして単純な一次遅れなどの線形モデルを用いているために、レバー操作に対して常に一定の応答遅れが現れる。その結果、急操作に対しても遅れが伴うこととなり急加速、急停止が行えないという問題が残る。
【００１０】
また、このような簡易な線形モデルでは、オペレータの好みに合わせて操作性をきめ細かくチューニングすることもできない。
【００１１】
本発明は以上のような従来のアクチュエータ駆動装置における課題を考慮してなされたものであり、電動機で回転系を駆動する駆動装置において、レバー中間領域で操作した場合には緩やかに応答し、レバーを急操作した場合には俊敏に応答する建設機械の回転駆動装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、建設機械の回転系を駆動する電動機と、この電動機の作動を指令する操作体と、この操作体の操作指令に応じて上記電動機を制御するコントローラとを備えてなる建設機械において、上記コントローラが、油圧式回転駆動装置の動特性をリアルタイムでシミュレーションするエミュレーションモデルを有し、上記操作体の操作指令に応じてそのエミュレーションモデルにより制御目標値を演算し、上記電動機を制御するように構成されている建設機械の回転駆動装置である。
【００１３】
本発明に従えば、操作体を操作すると、コントローラはエミュレーションモデルを参照することにより、油圧式回転装置の動特性として例えば回転速度、駆動トルク、或いはその両方をリアルタイムでシミュレートし、制御目標値を演算する。次いでその制御目標値を目標として電動機を例えば、速度制御、トルク制御或いはその両方で制御を行う。それにより、回転系を電動機で駆動させる場合であっても操作体の操作に対する応答性をほぼ油圧駆動方式と同等にすることができる。
【００１４】
本発明において、上記エミュレーションモデルは、油圧機器としての油圧ポンプ、油圧アクチュエータ、各種バルブの諸元を個別に有することが好ましい。
【００１５】
本発明において、上記コントローラに入力部を接続し、この入力部を介してエミュレーションモデル内の上記各諸元を変更することができるように構成することが好ましい。それにより、オペレータの好みに応じて操作性をきめ細かくチューニングすることが可能になる。
【００１６】
本発明において、上記エミュレーションモデルは、バルブとして流量制御弁または圧力制御弁の非線形特性を備えていることが好ましい。
【００１７】
この非線形特性を有することにより、レバー中間領域で操作が行われると、適当な応答遅れを発生させてハンチングや揺れ戻し、ショックの発生が防止され、また、急操作が行われると、応答遅れをほとんど発生させずに急加速、急停止させることができるようになる。
【００１８】
本発明において、上記建設機械の動力源としては、外部電源、内蔵バッテリー、エンジンにより駆動される発電機、或いはキャパシタのいずれか一つまたは複数が選択される。
【００１９】
本発明において、上記回転系の具体例としては、旋回モータを駆動源とする旋回系、ウインチモータを駆動源とする巻上系、走行モータを駆動源とする走行系の少なくとも一つを有することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明のアクチュエータ駆動装置が適用される建設機械として油圧ショベルを示したものである。
【００２２】
同図において、油圧ショベルは下部走行体１上に上部旋回体２を搭載しており、この上部旋回体２は回転軸R.Aまわりに旋回できるように構成されている。
【００２３】
上部旋回体２の前部にはフロントアタッチメント３が備えられている。このフロントアタッチメント３は、ブーム３ａおよびそのブーム３ａを起伏動作させるブームシリンダ３ｂと、アーム３ｃおよびそのアーム３ｃを回動動作させるアームシリンダ３ｄと、バケット３ｅおよびそのバケット３ｅを回動動作させるバケットシリンダ３ｆとから構成されている。
【００２４】
このフロントアタッチメント３の左側にはキャビン４が配置されている。キャビン４の後方には図示しないエンジン、油圧機器、タンク等が配置され、機器カバー５でカバーされている。６は上部旋回体２を旋回させるための電動機であり、ＡＣサーボモータで構成されている。なお、電動機６はＤＣサーボモータで構成することもできる。この電動機は、上部旋回体２を旋回させる回転機構（旋回系）の駆動源として使用される。
【００２５】
図２は、上記油圧ショベルに搭載される回転駆動装置の構成を示したものである。
【００２６】
電動機６の出力軸には減速機７が接続され、この減速機７の回転軸に負荷慣性（具体的には回転系としての旋回体、ウインチ、走行体等）８が接続されている。
【００２７】
コントローラ９はインバータ１０ａに対して回転数信号を与えるようになっており、そのインバータ１０ａによって電動機６が回転制御され、電動機６の回転数はエンコーダ１１によって検出され、検出された回転数は信号としてコントローラ９にフィードバックされる。
【００２８】
１２はオペレータが電動機６の回転速度を操作するための操作レバー（操作体）である。
【００２９】
また、電動機６を駆動するための電力供給源としては、エンジン１３によって駆動される発電機１３ａ、バッテリー１４、キャパシタ１５などを組み合わせて用いることとする。なお、１６ａは交流を直流に変換するコンバータ、１６ｂおよび１６ｃは電圧を昇圧または降圧するための直流−直流コンバータである。
【００３０】
なお、本実施形態では油圧ショベルに発電機６を搭載し、バッテリー１４に蓄電する構成であるが、これに限らず、外部電源より電力の供給を受けるようにしたものであってもよい。
【００３１】
また、３ｂはブームシリンダであり、フロントアタッチメント３の一アクチュエータとして示したものである。
【００３２】
１７はそのブームシリンダ３ｂに圧油を供給する油圧ポンプであり、１８はその油圧ポンプ１７を駆動するための別の電動機である。１９はブームシリンダ３ｂの速度、圧力を調整するための油圧回路であり、１０ｂはインバータである。
【００３３】
なお、上記ブームシリンダ３ｂは油圧回路１９から供給される圧油によって駆動されるものである。従って、この別の電動機１８は回転系を駆動するものでない。
【００３４】
次に、上記コントローラ９における制御フローについて図３を参照しながら説明する。
【００３５】
コントローラ９は、操作レバー１２の操作量Ｓを受けてその内部に格納された油圧駆動方式エミュレーションモデル９ａを用い、油圧駆動方式の場合において操作量が与えられた場合のアクチュエータ回転速度ω_aの演算を行う。
【００３６】
この演算された回転速度ω_aより次式を用いて電動機の速度目標値ω_refを求める。
【００３７】
ω_ref＝ω_a×Ｎ₁／Ｎ₂ ……(1)
ただし、Ｎ₁は電動機系の減速比、Ｎ₂は油圧系の減速比である。
【００３８】
このω_refを電動機６の速度目標値とし、ＰＩＤ９ｂによってＰＩＤ制御を行ない、エンコーダ１１から求められる回転速度ωと比較することにより、速度フィードバック制御を行う。
【００３９】
上記、油圧駆動方式エミュレーションモデルの内容を図４(ａ)に示す。
【００４０】
図４(ａ)において、エミュレーションモデルは、油圧ポンプ２０、油圧モータ２１、油圧モータ２１の出力軸に接続された減速機２２、減速機２２の回転軸に接続された回転慣性２３、油圧ポンプ２０から吐出される圧油の流量、方向を制御して油圧モータ２１に供給するコントロールバルブ２４、メインリリーフ弁２５、ポートリリーフ弁２６ａ，２６ｂ、チェック弁２７ａ，２７ｂ、バイパス弁２８より主として構成されている。なお、図は油圧モータ２１を正回転させる原理図を示している。
【００４１】
また、上記コントロールバルブ２４は、ブリードオフバルブ(B/O)２９、メータインバルブ(M/I)３０、メータアウトバルブ(M/O)３１より構成されている。なお、３２はタンクを示している。
【００４２】
このエミュレーションモデルでは図４(ｂ)に示すように、レバー操作量Ｓが大きくなるにつれてブリードオフ開口（同図のＢ／Ｏで示される曲線）が絞られる。これとは逆にメータイン開口（同図）のＭ／Ｉで示される曲線）およびメータアウト開口（同図のＭ／Ｏで示される曲線）は開かれる。この結果、油圧モータ２１に送り込まれる圧油流量が増加する。
【００４３】
このエミュレーションモデルの支配方程式を以下に示す。
【００４４】

【００４５】
ここで、Ｊ_L：負荷の慣性モーメント、Ｐ：圧力、Ｑ：流量、Ｋ：油体積弾性率、Ｖ：配管内容積、Ａ：面積、Ｌ：長さ、Ｃ_V：流量係数、γ：油比重量、λ：管摩擦係数、Ｄ：配管径、Ｓ：操作レバー量、Ｎ：減速比、ｑ：油圧モータ容量、ｃ：チェック弁、ｒ：ポートリリーフ弁、ｒｐ：メインリリーフ弁、ｐｉ：配管部、１：上流側、２：下流側である。
【００４６】
上記式中において、油圧源である油圧ポンプ２０の諸元としては、油圧ポンプ流量Ｑ_pを(5)式中に与えるものとする。
【００４７】
アクチュエータの特性としては油圧モータ容量ｑを(2)式中に与える。
【００４８】
また、コントロールバルブ２４の特性としてはそのコントロールバルブ２４を構成するブリードオフバルブ２９、メータインバルブ３０、メータアウトバルブの各開口面積Ａ_bo，Ａ_mi，Ａ_moと、レバー操作量Ｓとの関係を(6)式中に与える。
【００４９】
本実施形態のエミュレーションモデルでは、これらの支配方程式を連立させて、例えばNewmark−β法などの数値積分法を適用することで、時刻歴応答演算を行う。
【００５０】
次に、上記エミュレーションモデルの動作について図５〜図１０を参照しながら説明する。
【００５１】
図５はレバー操作量に対してマップ９ｃにより速度目標値を定め、速度フィードバック制御を行う従来の一般的な制御手法を比較例として示したものである。
【００５２】
この場合、図６の操作例に示すように、レバー中間領域において階段状にレバー操作を行うと、図７に示すように、速度目標値ω_refはレバー操作に対して急峻に変化する。
【００５３】
このため、電動機６の回転速度ωも急峻に変化してしまい応答性が過敏になる。その結果、ハンチングや停止時における揺れ戻し、或いはショックが発生し、操作性が悪化することになる。
【００５４】
これに対し、本実施形態による制御方法では、上記エミュレーションモデルによって油圧式駆動装置の動特性を模擬するように制御を行っている。
【００５５】
それにより、レバー中間領域において階段状にレバー操作を行った場合、図８に示すように速度目標値ω_refはレバー操作に対して油圧式駆動装置特有の遅れ特性を模擬するような波形を描く。
【００５６】
その結果、レバー操作に対して電動機６の速度変化が穏やかになり（グラフのω参照）、ハンチングや停止時における揺れ戻し、ショック等の発生することがなく、操作性を改善することができるようになる。
【００５７】
一方、図９に示すように、急加速、急減速操作を行った場合、従来の一次遅れを用いたモデル追従制御では、図１０に示すようにレバー中間領域での操作と同じく応答遅れが現れる（Ｌ₁参照）。
【００５８】
これに対して、本実施形態による制御方法では、回路圧を一定に保つリリーフ弁２６ａ，２６ｂ（図４(ａ)参照）をエミュレーションモデルに含めているため、油圧駆動装置と同様に最大トルクでの加速、減速が行われる（Ｌ₂参照）。
【００５９】
このように、本実施形態による制御方法によれば、レバー中間領域における操作では電動機６が緩やかに応答する一方、急レバー操作を行うと電動機６を俊敏に応答させることができるようになる。
【００６０】
なお、上述したエミュレーションモデルでは、目標回転数ω_refをエンコーダ１１から出力される回転数ωと比較したが、これに限らず、図１１に示す油圧駆動方式エミュレーションモデル９ａ′を用い、トルクを比較することもできる。
【００６１】
すなわち、レバー操作量が与えられた場合の油圧アクチュエータの駆動トルクは、
τ_ref＝τ_a×Ｎ₁／Ｎ₂
このτ_refを電動機６のトルク目標値とし、ＰＩＤ制御の制御則を用いたフィードバック制御を行うことによっても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、具体的にはトルク目標値τ_refを電流値に変換した電流目標値ｉ_refをインバータ１０ａから求められる電流ｉと比較することになる。
【００６２】
また、上記コントローラ９に入力部としてのスイッチまたはタッチパネル等を接続し、スイッチの切り換え操作、タッチパネル上の操作、或いはソフトを変更するなどにより、上記エミュレーションモデル内の例えばコントロールバルブ２４の諸元を適宜変更できるように構成してもよい。
【００６３】
このように変更が可能な構成とすることでオペレータの好みに応じ、操作性の特性を容易に変更することができるようになる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、請求項１の本発明によれば、回転系を電動機で駆動するとともにその電動機の回転速度をコントローラで制御する建設機械において、コントローラに、油圧式回転駆動装置の動特性をリアルタイムでシミュレーションするエミュレーションモデルを有し、そのエミュレーションモデルから制御目標値を演算して電動機を制御するようにしたため、回転系を電動機で駆動させる場合であっても操作体の操作に対する応答性をほぼ油圧駆動方式と同等にすることができる。
【００６５】
請求項２および３の本発明によれば、上記エミュレーションモデルは、油圧機器としての油圧ポンプ、油圧アクチュエータ、各種バルブの諸元を個別に有し、各諸元については入力部を介して変更することができるように構成したため、オペレータの好みに応じて操作性をきめ細かくチューニングすることが可能になる。
【００６６】
請求項４の本発明によれば、上記エミュレーションモデルが、バルブとして流量制御弁または圧力制御弁の非線形特性を備えているため、この非線形特性を有することにより、レバー中間領域で操作が行われると、適当な応答遅れを発生させてハンチングや揺れ戻し、ショックの発生を防止し、また、急操作が行われると、応答遅れをほとんど発生させずに急加速、急停止させることができるようになる。
【００６７】
請求項５の本発明によれば、上記建設機械の動力源として、外部電源、内蔵バッテリ、エンジンにより駆動される発電機、或いはキャパシタのいずれか一つまたは複数を選択することができる。
【００６８】
請求項６の本発明によれば、旋回モータを駆動源とする旋回系、ウインチを駆動源とするウインチ系、或いは走行モータを駆動源とする走行系のいずれにも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転制御装置が適用される油圧ショベルの外観図である。
【図２】本発明の回転制御装置の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の制御フローを示す説明図である。
【図４】 (ａ)は図３に示すエミュレーションモデルの構成を示した回路図、(ｂ)は同モデルにおける各バルブ特性を示した図表である。
【図５】従来の制御フローを示す説明図である。
【図６】従来の制御による操作パターンの一例を示すグラフである。
【図７】従来の制御による電動機の速度応答波形を示すグラフである。
【図８】本発明の制御による電動機の速度応答特性を示すグラフである。
【図９】操作レバーの操作パターンの別の例を示すグラフである。
【図１０】図９の操作パターンに対する本発明の電動機の速度応答特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の別の制御フローを示す説明図である。
【符号の説明】
１下部走行体
２上部旋回体
３フロントアタッチメント
４キャビン
５機器カバー
６第１電動機
７減速機
８負荷慣性
９コントローラ
１０ａインバータ
１１エンコーダ
１２操作レバー
１３エンジン
１３ａ発電機
１４バッテリ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation drive device for a construction machine that drives a rotating system with an electric motor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, hydraulic actuators have been widely employed as construction machine actuators. However, in the hydraulic drive system using this hydraulic actuator, resistance is generated in the control valve that controls the direction and flow rate of the pressure oil discharged from the hydraulic pump, pressure loss is generated in the piping, and there is a surplus in the circuit. Energy efficiency is low due to the flow rate.
[0003]
Therefore, a method using an electric motor as an actuator is known as a method for improving energy efficiency.
[0004]
For example, in the “swivel drive device for construction machine” described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-11897, an electric motor is used as a swing motor for swinging an upper swing body.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an electric motor is used as an actuator for a construction machine, energy efficiency is improved, but the response of the actuator to a lever operation is too sensitive compared to a hydraulic drive system.
[0006]
For example, if the speed is changed by lever operation in the lever intermediate region, the electric motor changes rapidly, resulting in hunting or shock.
[0007]
Further, in the case where the front attachment is driven by the electric motor, when the electric motor stops suddenly, the attachment may be elastically deformed, and there is a possibility that the swinging may occur. Thus, if the response of the actuator is too sensitive to the drive of the electric motor, there is a disadvantage that the operability is worse than that of the hydraulic drive system.
[0008]
Model follow-up control, which is a known technique, can be applied to such a problem. This is a technique for controlling an actuator so as to follow the response of the reference model, for example, using a reference model such as a first-order lag so that a target response can be obtained.
[0009]
However, in such general model following control, since a linear model such as a simple first-order lag is used as a reference model, a constant response delay always appears with respect to lever operation. As a result, there is a problem that a sudden operation is delayed and a sudden acceleration and a sudden stop cannot be performed.
[0010]
Further, with such a simple linear model, the operability cannot be finely tuned according to the preference of the operator.
[0011]
The present invention has been made in consideration of the problems in the conventional actuator driving device as described above. In a driving device that drives a rotating system with an electric motor, the lever responds gently when operated in the middle region of the lever. The present invention provides a rotary drive device for a construction machine that responds promptly when it is suddenly operated.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a construction machine comprising an electric motor that drives a rotating system of a construction machine, an operating body that commands the operation of the electric motor, and a controller that controls the electric motor in accordance with an operation command of the operating body. The controller has an emulation model that simulates the dynamic characteristics of the hydraulic rotary drive device in real time, calculates a control target value by the emulation model according to the operation command of the operating body, and controls the electric motor. It is the rotational drive apparatus of the construction machine comprised.
[0013]
According to the present invention, when the operating body is operated, the controller refers to the emulation model, and simulates the dynamic characteristics of the hydraulic rotating device, for example, the rotational speed, the driving torque, or both in real time. Is calculated. Next, the motor is controlled by, for example, speed control, torque control, or both with the control target value as a target. Thereby, even when the rotating system is driven by an electric motor, the responsiveness to the operation of the operating body can be made substantially equal to that of the hydraulic drive system.
[0014]
In the present invention, the emulation model preferably has individual specifications of a hydraulic pump, a hydraulic actuator, and various valves as hydraulic equipment.
[0015]
In the present invention, it is preferable that an input unit is connected to the controller, and the respective specifications in the emulation model can be changed via the input unit. Thereby, the operability can be finely tuned according to the preference of the operator.
[0016]
In the present invention, the emulation model preferably includes a nonlinear characteristic of a flow control valve or a pressure control valve as a valve.
[0017]
Due to this non-linear characteristic, when an operation is performed in the middle region of the lever, an appropriate response delay is generated to prevent hunting, swinging back and shock, and when a sudden operation is performed, a response delay is generated. It becomes possible to suddenly accelerate and stop almost without generating it.
[0018]
In the present invention, as the power source of the construction machine, one or more of an external power source, a built-in battery, a generator driven by an engine, and a capacitor are selected.
[0019]
In the present invention, specific examples of the rotation system include at least one of a turning system using a turning motor as a drive source, a winding system using a winch motor as a drive source, and a running system using a running motor as a drive source. Can do.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
[0021]
FIG. 1 shows a hydraulic excavator as a construction machine to which the actuator driving device of the present invention is applied.
[0022]
In this figure, the hydraulic excavator has an upper swing body 2 mounted on a lower traveling body 1, and the upper swing body 2 is configured to be able to swing around a rotation axis RA.
[0023]
A front attachment 3 is provided at the front of the upper swing body 2. The front attachment 3 includes a boom 3a, a boom cylinder 3b for raising and lowering the boom 3a, an arm 3c and an arm cylinder 3d for rotating the arm 3c, a bucket 3e and a bucket cylinder for rotating the bucket 3e. 3f.
[0024]
A cabin 4 is disposed on the left side of the front attachment 3. An engine, a hydraulic device, a tank and the like (not shown) are arranged behind the cabin 4 and are covered with a device cover 5. Reference numeral 6 denotes an electric motor for turning the upper turning body 2 and is constituted by an AC servo motor. The electric motor 6 can also be constituted by a DC servo motor. This electric motor is used as a drive source of a rotation mechanism (swivel system) that turns the upper swing body 2.
[0025]
FIG. 2 shows a configuration of a rotary drive device mounted on the hydraulic excavator.
[0026]
A reduction gear 7 is connected to the output shaft of the electric motor 6, and load inertia (specifically, a swiveling body, a winch, a traveling body, etc. as a rotating system) 8 is connected to the rotation shaft of the reduction gear 7.
[0027]
The controller 9 gives a rotation speed signal to the inverter 10a, the rotation of the electric motor 6 is controlled by the inverter 10a, the rotation speed of the electric motor 6 is detected by the encoder 11, and the detected rotation speed is used as a signal. Feedback is provided to the controller 9.
[0028]
Reference numeral 12 denotes an operation lever (operation body) for the operator to operate the rotation speed of the electric motor 6.
[0029]
As a power supply source for driving the electric motor 6, a generator 13a driven by the engine 13, a battery 14, a capacitor 15, and the like are used in combination. In addition, 16a is a converter for converting alternating current into direct current, and 16b and 16c are direct current-direct current converters for stepping up or down the voltage.
[0030]
In the present embodiment, the generator 6 is mounted on the hydraulic excavator and the battery 14 is charged. However, the present invention is not limited to this, and power may be supplied from an external power source.
[0031]
Reference numeral 3b denotes a boom cylinder, which is shown as one actuator of the front attachment 3.
[0032]
Reference numeral 17 denotes a hydraulic pump that supplies pressure oil to the boom cylinder 3 b, and reference numeral 18 denotes another electric motor for driving the hydraulic pump 17. 19 is a hydraulic circuit for adjusting the speed and pressure of the boom cylinder 3b, and 10b is an inverter.
[0033]
The boom cylinder 3b is driven by pressure oil supplied from the hydraulic circuit 19. Therefore, this other electric motor 18 does not drive the rotating system.
[0034]
Next, a control flow in the controller 9 will be described with reference to FIG.
[0035]
The controller 9 receives the operation amount S of the operation lever 12 and uses the hydraulic drive method emulation model 9a stored therein, and calculates the actuator rotation speed ω _a when the operation amount is given in the case of the hydraulic drive method. I do.
[0036]
From the calculated rotational speed ω _a , the speed target value ω _ref of the motor is obtained using the following equation.
[0037]
ω _ref = ω _a × N ₁ / N ₂ ...... (1)
However, N ₁ is the reduction ratio of the electric motor system, and N ₂ is the reduction ratio of the hydraulic system.
[0038]
Using this ω _ref as a speed target value of the electric motor 6, PID control is performed by the PID 9b, and speed feedback control is performed by comparing with the rotational speed ω obtained from the encoder 11.
[0039]
The content of the hydraulic drive system emulation model is shown in FIG.
[0040]
4A, the emulation model includes a hydraulic pump 20, a hydraulic motor 21, a reduction gear 22 connected to the output shaft of the hydraulic motor 21, a rotary inertia 23 connected to the rotation shaft of the reduction gear 22, and the hydraulic pump 20. The control valve 24, the main relief valve 25, the

port relief valves

26a and 26b, the

check valves

27a and 27b, and the bypass valve 28 are mainly configured to control the flow rate and direction of the pressure oil discharged from the hydraulic oil 21 and supply the hydraulic oil 21 to the hydraulic motor 21. Yes. The figure shows the principle of rotating the hydraulic motor 21 forward.
[0041]
The control valve 24 includes a bleed-off valve (B / O) 29, a meter-in valve (M / I) 30, and a meter-out valve (M / O) 31. Reference numeral 32 denotes a tank.
[0042]
In this emulation model, as shown in FIG. 4B, the bleed-off opening (the curve indicated by B / O in the figure) is narrowed as the lever operation amount S increases. On the contrary, the meter-in opening (curve indicated by M / I) and the meter-out opening (curve indicated by M / O in the same figure) are opened. As a result, the flow rate of pressure oil fed to the hydraulic motor 21 increases.
[0043]
The governing equation of this emulation model is shown below.
[0044]

[0045]
Here, J _L : Load inertia moment, P: Pressure, Q: Flow rate, K: Oil bulk modulus, V: Piping volume, A: Area, L: Length, C _V : Flow coefficient, γ: Oil Specific weight, λ: pipe friction coefficient, D: pipe diameter, S: operating lever amount, N: reduction ratio, q: hydraulic motor capacity, c: check valve, r: port relief valve, rp: main relief valve, pi: Piping section, 1: upstream side, 2: downstream side.
[0046]
In the above equation, the hydraulic pump flow rate Q _p is given in equation (5) as the specifications of the hydraulic pump 20 that is the hydraulic source.
[0047]
As a characteristic of the actuator, a hydraulic motor capacity q is given in the equation (2).
[0048]
Further, as a characteristic of the control valve 24, the relationship between the opening areas A _bo , A _mi , A _{mo of} the bleed-off valve 29, the meter-in valve 30, and the meter-out valve constituting the control valve 24 and the lever operation amount S Is given in equation (6).
[0049]
In the emulation model of the present embodiment, time history response calculation is performed by applying these numerical equations and applying a numerical integration method such as Newmark-β method.
[0050]
Next, the operation of the emulation model will be described with reference to FIGS.
[0051]
FIG. 5 shows, as a comparative example, a conventional general control method in which a speed target value is determined by a map 9c with respect to a lever operation amount and speed feedback control is performed.
[0052]
In this case, as shown in the operation example of FIG. 6, when the lever is operated stepwise in the lever intermediate region, the speed target value ω _ref changes sharply with respect to the lever operation as shown in FIG.
[0053]
For this reason, the rotational speed ω of the electric motor 6 also changes steeply, and the responsiveness becomes sensitive. As a result, hunting or shaking during stoppage or shock occurs, and operability deteriorates.
[0054]
On the other hand, in the control method according to the present embodiment, control is performed so as to simulate the dynamic characteristics of the hydraulic drive device by the emulation model.
[0055]
Accordingly, when the lever operation is performed stepwise in the lever intermediate region, the speed target value ω _ref has a waveform that simulates the delay characteristic unique to the hydraulic drive device with respect to the lever operation as shown in FIG. .
[0056]
As a result, the speed change of the electric motor 6 becomes gentle with respect to the lever operation (see ω in the graph), and operability can be improved without occurrence of hunting, swinging back when stopping, shock, etc. become.
[0057]
On the other hand, when sudden acceleration / deceleration operations are performed as shown in FIG. 9, in the model following control using the conventional primary delay, a response delay appears as in the lever intermediate region as shown in FIG. (See L ₁ ).
[0058]
On the other hand, in the control method according to the present embodiment, the

relief valves

26a and 26b (see FIG. 4A) for keeping the circuit pressure constant are included in the emulation model. acceleration, deceleration is performed (see L _2).
[0059]
As described above, according to the control method according to the present embodiment, the motor 6 responds gently in the operation in the intermediate lever region, while the motor 6 can respond quickly when the sudden lever operation is performed.
[0060]
In the above-described emulation model, the target rotational speed ω _ref is compared with the rotational speed ω output from the encoder 11. However, the present invention is not limited to this, and the hydraulic drive system emulation model 9a ′ shown in FIG. You can also
[0061]
That is, when the lever operation amount is given, the drive torque of the hydraulic actuator is
τ _ref = τ _a × N ₁ / N ₂
The same effect as in the above embodiment can also be obtained by using τ _ref as a torque target value of the electric motor 6 and performing feedback control using a control law of PID control. Note that will be compared with the current i determined current target value i _ref which converts the torque target value tau _ref to a current value from the inverter 10a specifically.
[0062]
In addition, by connecting a switch or a touch panel as an input unit to the controller 9 and switching the switch, operating the touch panel, or changing software, the specifications of the control valve 24 in the emulation model are appropriately set. You may comprise so that it can change.
[0063]
By adopting such a changeable configuration, the operability characteristics can be easily changed according to the preference of the operator.
[0064]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention of claim 1, in a construction machine in which the rotating system is driven by an electric motor and the rotational speed of the electric motor is controlled by the controller, the controller is provided with a hydraulic rotary driving device. Has an emulation model that simulates the dynamic characteristics of the motor in real time, and the control target value is calculated from the emulation model to control the electric motor. Therefore, even when the rotating system is driven by the electric motor, The responsiveness can be made almost equal to that of the hydraulic drive system.
[0065]
According to the second and third aspects of the present invention, the emulation model has specifications of a hydraulic pump, a hydraulic actuator, and various valves as hydraulic equipment, and the specifications are changed via the input unit. Thus, the operability can be finely tuned according to the operator's preference.
[0066]
According to the fourth aspect of the present invention, the emulation model has a non-linear characteristic of a flow rate control valve or a pressure control valve as a valve.・ Appropriate response delay is generated to prevent hunting, swinging back, and shock, and when sudden operation is performed, sudden acceleration and abrupt stop can be achieved with almost no response delay. .
[0067]
According to the present invention of claim 5, any one or more of an external power source, a built-in battery, a generator driven by an engine, and a capacitor can be selected as a power source for the construction machine.
[0068]
According to the present invention of claim 6, the present invention can be applied to any of a turning system using a turning motor as a driving source, a winch system using a winch as a driving source, or a traveling system using a running motor as a driving source. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a hydraulic excavator to which a rotation control device of the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a rotation control device of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a control flow of the present invention.
4A is a circuit diagram showing the configuration of the emulation model shown in FIG. 3, and FIG. 4B is a chart showing each valve characteristic in the model.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a conventional control flow.
FIG. 6 is a graph showing an example of an operation pattern by conventional control.
FIG. 7 is a graph showing a speed response waveform of an electric motor by conventional control.
FIG. 8 is a graph showing a speed response characteristic of an electric motor according to the control of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing another example of the operation pattern of the operation lever.
10 is a graph showing speed response characteristics of the electric motor of the present invention with respect to the operation pattern of FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing another control flow of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower traveling body 2 Upper turning body 3 Front attachment 4 Cabin 5 Equipment cover 6 1st electric motor 7 Reducer 8 Load inertia 9 Controller 10a Inverter 11 Encoder 12 Operation lever 13 Engine 13a Generator 14 Battery

Claims

In a construction machine comprising an electric motor that drives a rotating system of a construction machine, an operating body that commands the operation of the electric motor, and a controller that controls the electric motor in accordance with an operation command of the operating body.
The controller has an emulation model that simulates the dynamic characteristics of the hydraulic rotary drive device in real time, calculates a control target value by the emulation model according to the operation command of the operating body, and controls the electric motor. A rotary drive device for a construction machine, characterized in that it is configured.

2. The rotary drive device for a construction machine according to claim 1, wherein the emulation model individually has specifications of a hydraulic pump, a hydraulic actuator, and various valves as hydraulic equipment.

3. The rotary drive device for a construction machine according to claim 2, wherein an input unit is connected to the controller, and the respective specifications in the emulation model can be changed via the input unit.

4. The rotary drive device for a construction machine according to claim 2, wherein the emulation model has a nonlinear characteristic of a flow rate control valve or a pressure control valve as the valve.

The rotational drive of the construction machine according to any one of claims 1 to 4, wherein one or more of an external power source, a built-in battery, a generator driven by an engine, or a capacitor is selected as a power source of the electric motor. apparatus.

6. The rotating system according to claim 1, wherein the rotating system includes at least one of a turning system using a turning motor as a driving source, a winding system using a winch motor as a driving source, and a traveling system using a running motor as a driving source. The rotation drive device of the construction machine as described in 2.